一种计算机辅助的三维颅面复原方法技术

一种计算机辅助的三维颅面复原方法，包括以下步骤：１）扫描头骨获得３Ｄ数字颅骨模型；２）把存在孔洞的３Ｄ数字颅骨模型先进行颅骨孔洞的获取和孔洞区域离散点的插入，再采用空间多边形的三角剖分进行孔洞的填充，最后采用最小二乘法拟合和径向基函数插值来进行局部和全局优化进行曲面的平滑优化得到一个完整的数字颅骨模型；３）采用手工标识特征点法和基于曲面的法线方向添加法向软组织厚度的计算方法获得颅面特征点，并对该离散的特征点进行基于径向基函数插值和三角剖分，获得颅骨的面部复原雏形；４）把复原的面部雏形通过约束性纹理映射算法生成具有真实感的３Ｄ人脸模型。本发明专利技术快速性好、准确性高、可靠性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
在法医病理学和人类学的研究中，为了确定死者的身份，在发现死者遗骨之 后通常需要首先确定死者的相貌。很多情况下，由于遗骨的存放环境和发现时间 的影响，遗骨软组织通常已经高度腐烂，造成法医和人类学研究者无法直接获得 死者的相貌信息。为了鉴别人类遗骨的确定身份，从古至今人们一直在尝试从尸骨遗存来恢复 死者生前面貌，即所谓的颅骨面貌复原。颅骨面貌复原是对人类的颅骨进行面部 容貌复原的技术。该技术以法医学、人类学、解剖学中的头骨与面貌相互关系为 科学依据，人类的面部都由肌肉、毛发等软组织包围着的颅骨组成，颅骨是容貌 的内核和构架，五官和头部组织附着在颅骨的相应部位上，形态受颅骨各部位的 结构关系所影响和制约；头部软组织厚度，除颊部变化较大外，其余部位，尤其 是决定侧面轮廓的正中矢面各部位的软组织厚度比较恒定；面貌特征上的年龄变 化和性别特点在颅骨上可以得到比较明确的反映，而成年人的颅骨个体形态比较 恒定，存在一定的规律性。因此，基于颅骨形态的面貌复原技术必然有其可行性， 也就是说可以以颅骨的形状特征为基础，以特定人群面部软组织统计厚度为依据， 采用其他人造材料或者方法根据颅骨展现出来的特征，适当补充颅骨之上的软组 织，从而达到面貌复原的目的，其中，颅骨的完整性是计算机三维颅面复原技术 的基础，而且为了让复原结果更具真实感，必须给颅面添加纹理，从而得到一个 形象逼真的3D人脸模型。颅骨面貌复原技术的研究可以追袖到十九世纪中叶，但真正投入大范围使用是在二十世纪五十年代。传统复原采用的方法主要分为二维复原和三维复原。二 维复原使用颅骨正面照片或者临摹图作为基础，由有经验的人类学家、艺术家或 者法医人员描绘出死者生前的面貌；三维复原则主要采用的方法是在颅骨的模型 之上设置若干的具有高度的标志点，然后用黏土代替软组织在标志点之间采用塑 形的方法对人连进行复原，除此之外还有人采用侧位颅像法和颅像形态图法。但在传统的颅骨面貌复原方法中，不论使用二维复原方法还是三维复原方法 进行入脸复原都存在一些共同的问题首先，复原方法都是非常耗时的工作,比如 采用粘土塑形的方法复原一个人的面貌需要消耗近一个月的时间;其次，除了标志 点的高度和定位有实际的数据支持之外，其余部分的复原都是根据复原者的个人经验进行的，过多的人为因素影响了复原的准确性和可靠性:第三，人类面部的软组织和形态依据人的种族和生活环境不同又有分别，采用这些方法进行复原，每次只能得到该颅骨针对某一个人种的大概相貌;最后，采用上述几种方法复原的人脸在后期修改比较困难。
技术实现思路
为了克服已有颅面复原方法的费时、准确性和可靠性差的不足，本专利技术提供 一种快速性好、准确性高、可靠性强的计算机辅助的三维颅面复原方法。 本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是，所述三维颅面复原方法包括以下步骤1) 、扫描头骨获得3D数字颅骨模型；2) 、把存在孔洞的3D数字颅骨模型先进行颅骨孔洞的获取和孔洞区域离散点的 插入，再采用空间多边形的三角剖分进行孔洞的填充，最后采用最小二乘法拟合 和径向基函数插值来进行局部和全局优化进行曲面的平滑优化得到一个完整的数 字颅骨模型；3) 、采用手工标识特征点法和基于曲面的法线方向添加法向软组织厚度的计算方法获得颅面特征点，并对该离散的特征点进行基于径向基函数插值和三角剖分实 现曲面拟合优化，获得颅骨的面部复原雏形；4)、把复原的面部雏形通过约束性纹理映射算法生成具有真实感的3D人脸模型。 作为优选的一种方案所述的步骤l)中，采用3D扫描仪直接扫描头骨。 作为优选的另一种方案所述的步骤2)还包括以下步骤(2.1)、颅骨模型孔洞的获取通过两个步骤来完成模型边界点信息的提取和 孔洞的检测与排序，其中，获取模型边界点过程为Setpl: 建立一个临时点数组Temp，并置为空；Step2:对当前点的所有邻接三角网格上异于当前点的点作如下操作如果Temp包含此点，则从Temp中删除此点，否则，把此点加入到Temp中；Setp3: 检查Temp，如果Temp为空，则当前点为内点，否则为边界点，并 .目Temp中的点是和当前点的邻接边界点；在得到模型的边界点后，孔洞的检测与排序过程为在边界点集V中取出一 点vl,以vl为当前点，在V中查找它的边界边邻接点v2，然后以v2代替vl作为 当前点，重复此歩骤，直到V中找不到当前点的边界边邻接点，这样就完成了一 个孔洞的查找，按以上步骤査找，直到V中点的个数等于零，则完成了孔洞的分 类和排序；(2.2)、孔洞区域离散点的插入过程为设当前边界点为pi，其边界邻接点 为pi-l,pi+l，求出当前边界点pi的两邻接边的内夹角a和两邻接边的平均长度<formula>formula see original document page 8</formula>，将夹角a平分成n+l个/ ，在角分线上以长度L截取点， 得到一个候选的插入点r，该插入点的坐标计算公式为<formula>formula see original document page 8</formula>然后以r替换当前边界点pi，重复此歩骤，'直到插入点覆盖孔洞区域；(2.3) 、采用三角剖分算法来进行离散点的三角化；(2.4) 、经过离散点的三角网格化后，先采用最小二乘法在曲面过于弯曲的 地方加入点构成新的三角网格来进行曲面的局部优化，然后用径向基函数建立孔 洞曲面的隐式方程，进行曲面的全局优化。作为优选的再一种方案所述的步骤3)采用基于特征点的复原颅骨面貌， 复原过程包括以下步骤G.l)、根据兰玉文设定的36个特征点手工交互的在完整的3D数字颅骨模 型上标记，对另一侧做镜像映射；(3.2) 、在颅骨特征点处确定的基于曲面的法线方向并加上法向厚度的计算 方法，在颅骨模型上选取56个特征点，通过选择人类学软组织厚度参数，根据曲 面法线原理，建立数学模型，即在法线方向加已知的软组织厚度值，用计算机自 动根据颅骨特征点计算出颅面特征点；(3.3) 、采用基于径向基函数的插值方法来复原颅骨面貌，颅面复原的具体步骤为第一步对于每一个特征点i，在待复原颅骨模型上的特征点坐标记为Pi，相对应的颅面特征点坐标记为Pi'，取f(p)满足f(pi)=pr，这样颅面上的非特征点坐标可以从f(pi)得到；第二步对于f(pi^pi'式的径向基函数，取如下形式 /(" = tC'0(l"仏l)+鄉" (1)'=1其中，n为特征点数目，Ci为与特征点对应的权系数，^为径向对称函数，仿射 分量M和1分别是3*3矩阵和3*1向量，设pi、 Ci和ti的三个分量对应坐标为x， y， z，矩阵M二(M》 i,j=0,l,2;第三步在径向基函数中消除仿射分量的影响，将—公式(1)与仿射变换约束条件<formula>formula see original document page 10</formula>联立，并且令<formula>formula see original document page 10</formula>得:<formula>formula本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种计算机辅助的三维颅面复原方法，其特征在于：所述三维颅面复原方法包括以下步骤：　１）、扫描头骨获得３Ｄ数字颅骨模型；　２）、把存在孔洞的３Ｄ数字颅骨模型先进行颅骨孔洞的获取和孔洞区域离散点的插入，再采用空间多边形的三角剖分进行孔洞的填充，最后采用最小二乘法拟合和径向基函数插值来进行局部和全局优化进行曲面的平滑优化得到一个完整的数字颅骨模型；　３）、采用手工标识特征点法和基于曲面的法线方向添加法向软组织厚度的计算方法获得颅面特征点，并对该离散的特征点进行基于径向基函数插值和三角剖分实现曲面拟合优化，获得颅骨的面部复原雏形；　４）、把复原的面部雏形通过约束性纹理映射算法生成具有真实感的３Ｄ人脸模型。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：梁荣华，王银燕，陈矛，黄体楠，吴福理，黄鲜萍，蒋莉，毛剑飞，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]